CN112737587B - 采用互补细斜坡的并行两步式单斜模数转换方法及电路 - Google Patents

采用互补细斜坡的并行两步式单斜模数转换方法及电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开的采用互补细斜坡的并行两步式单斜模数转换方法，设置粗斜坡信号Ramp_f，引入两路互补的细量化斜坡信号Ramp_c和
Figure DDA0002820760210000011
设置两个比较器，通过开关网络的控制，实现粗量化与细量化的并行处理。本发明还公开了实现该方法的转换电路，包括比较器CMP1和比较器CMP2、开关电容控制网络、数字逻辑控制电路和三路斜坡信号发生电路；比较器CMP1和CMP2的正端输入接输入信号VIN，比较器CMP1和CMP2的负端输入接开关电容控制网络的输出，比较器CMP1和比较器CMP2的输出端分别接数字逻辑控制电路，数字逻辑控制电路与计数器连接，三路斜坡信号发生电路产生的斜坡信号其中一路为粗斜坡信号、其中两路为互补的细斜坡信号。本发明方法加快了量化速度，达到了更好的性能。

Description

采用互补细斜坡的并行两步式单斜模数转换方法及电路
技术领域
本发明属于模拟数字转换技术领域，涉及一种采用互补细斜坡的并行两步式单斜模数转换方法，本发明还涉及采用互补细斜坡的并行两步式单斜模数转换电路。
背景技术
由于CMOS图像传感器具有功耗低和易于集成的优点，获得了大量的关注。随着图像传感器的广泛发展，在部分高速摄像中，对传感器的帧率提出了较高的要求，传统的单斜式模数转换电路已经无法应对。在此基础上技术人员提出了两步式的单斜模数转换电路，该转换电路先进行粗量化操作，再进行细量化操作，一次量化的时间为2M+2N，这种串行的结构存在量化速度较慢的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种采用互补细斜坡的并行两步式单斜模数转换方法，通过引入两路互补的细量化斜坡信号，实现粗细量化的并行处理，加快了量化速度，达到了更好的性能。
本发明的另一个目的是提供实现上述方法的转换电路。
本发明所采用的技术方案是，采用互补细斜坡的并行两步式单斜模数转换方法，设置粗斜坡信号Ramp_f，引入两路互补的细量化斜坡信号Ramp_c和
Figure BDA0002820760190000011
设置两个比较器，通过开关网络的控制，实现粗量化与细量化的并行处理。
本发明的特点还在于：
粗量化处理和细量化处理同时开始。
两路互补的细斜坡信号Ramp_c和
Figure BDA0002820760190000021
中，细斜坡信号由低电平上升至一个高电平，电压差值为粗斜坡信号Ramp_f的一个台阶电压；细斜坡信号由高电平下降至一个低电平，电压差值为粗斜坡信号Ramp_f的一个台阶电压。
本发明所采用的另一个技术方案是，采用互补细斜坡的并行两步式单斜模数转换电路，包括比较器CMP1和比较器CMP2、开关电容控制网络、数字逻辑控制电路和三路斜坡信号发生电路；比较器CMP1和CMP2的正端输入接输入信号VIN，比较器CMP1和CMP2的负端输入接开关电容控制网络的输出，比较器CMP1和比较器CMP2的输出端分别接数字逻辑控制电路，数字逻辑控制电路与计数器连接，三路斜坡信号发生电路产生的斜坡信号其中一路为粗斜坡信号、其中两路为互补的细斜坡信号。
本发明该技术方案的特点还在于：
开关电容控制网络包括粗斜坡控制开关S1和S2、细斜坡控制开关S5和S6、数字控制开关S3和S4以及保持电容C1和C2，粗斜坡控制开关S1一端接入粗斜坡信号Ramp_f，粗斜坡控制开关S1的另一端连接比较器CMP2的负输入端和保持电容C2的上极板；粗斜坡控制开关S2一端接入粗斜坡信号Ramp_f，粗斜坡控制开关S2的另一端连接比较器CMP1的负输入端和保持电容C1的上极板；细斜坡控制开关S5一端接入细斜坡信号Ramp_c，细斜坡控制开关S5的另一端连接保持电容C2；细斜坡控制开关S6一端接入细斜坡信号
Figure BDA0002820760190000022
细斜坡控制开关S6的另一端连接保持电容C1；数字控制开关S3一端连接基准电压Vref，数字控制开关S3的另一端连接保持电容C2的下极板；数字控制开关S4一端连接基准电压Vref，数字控制开关S4的另一端连接保持电容C1的下极板。
本发明的单斜模数转换方法通过引入互补的细量化斜坡Ramp_c和
Figure BDA0002820760190000031
设置两个比较器，通过开关网络的控制，实现粗量化与细量化的并行处理，将原有两步式单斜模数转换电路的量化时间2M+2N有效缩短至并行结构的max[2M，2N]，实现了更快的量化速度，并且保证了量化的稳定和准确。
附图说明
图1为现有技术的两步式单斜模数转换电路示意图；
图2为本发明互补细斜坡的并行两步式单斜模数转换电路结构示意图；
图3为本发明并行结构的原理示意图。
图中，1.开关电容控制网络。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
图1所示的是现有的两步式单斜模数转换电路，包括多级比较器、开关电容电路、数字逻辑控制电路。像素信号VPIX_SF作为多级比较器的输入之一，比较器的输出端接数字逻辑控制器的输入端，数字逻辑控制器的输出端接开关控制电路中开关SH的控制端，开关控制电路的输出端VC接多级比较器的输入正端。斜坡电压VR连接到开关电容控制电路的输入端。
在这种两步式单斜模数转换电路中，先进行粗量化，在开关电容控制电路中，控制开关SC和SH为导通状态，VR此时为粗斜坡电压，从0开始，步进到粗斜坡电压的满摆幅电压VFS，每一次的步进值为粗斜坡电压的一个台阶值ΔC。比较器对正端输入信号Vc和负端输入信号VIN进行比较，粗斜坡电压VR每步进增加ΔC，比较器便会比较一次，若经过m次步进，比较器的输出变为高电平，则表明输入信号在mΔC<VIN<(m+1)ΔC这个粗量化区间内，就找到了VIN所在的粗量化区间，此时关断中的开关SH，电容CH就存储了此时的粗斜坡电压值(m+1)ΔC，电容CH的上下极板电压差为(m+1)ΔC–Vref，Vref为一固定电平。粗斜坡电压VR步进到满摆幅电压VFS之后，开关SC关断，粗量化过程结束。
然后进行细量化操作，此时在开关电容电路中，开关SF为导通状态，VR此时为细斜坡电压，接到开关电容电路中电容CH的下极板，由于电容CH存储了之前的粗斜坡电压值(m+1)ΔC，则比较器的正输入端VC为VR+(m+1)ΔC，细斜坡电压VR从-ΔC步进变化到Vref，每一次的步进值为细斜坡电压的一个台阶值ΔF。VC就从mΔC变化到(m+1)ΔC，即对Vin所在的粗量化区间进行细量化。比较器对正端输入信号VC和负端输入信号VIN进行比较，若细斜坡电压VR经过n次步进，比较器的输出变为高电平，则表明输入信号在mΔC+(n-1)ΔF<VIN<mΔC+nΔF这个细量化区间内，一个完整的量化周期结束。可以看出，这种串行的结构一次量化时间为2M+2N。
本发明采用互补细斜坡的并行两步式单斜模数转换方法在于：设置粗斜坡信号Ramp_f，以ΔV为步长在整个量化区间内寻找信号所处的区间，找到信号所处的细量化区间后，粗量化对应的比较器翻转，粗量化完成。在粗量化进行时，细量化同时开始，通过引入两路互补的细量化斜坡信号Ramp_c和
Figure BDA0002820760190000041
设置两个比较器，通过开关网络的控制，实现粗量化与细量化的并行处理。两路互补的细斜坡信号Ramp_c和/>
Figure BDA0002820760190000042
中，细斜坡信号由低电平上升至一个高电平，电压差值为粗斜坡信号Ramp_f的一个台阶电压；细斜坡信号由高电平下降至一个低电平，电压差值为粗斜坡信号Ramp_f的一个台阶电压。在粗量化与细量化的并行处理时损失的细量化信号，由设置权重后的互补细斜坡对损失信号进行补偿。
本发明实现上述方法的采用互补细斜坡的并行两步式单斜模数转换电路的结构如图2所示，包括比较器CMP1和比较器CMP2、开关电容控制网络1、数字逻辑控制电路和三路斜坡信号发生电路；比较器CMP1和CMP2的正端输入接输入信号VIN，比较器CMP1和CMP2的负端输入接开关电容控制网络的输出，比较器CMP1和比较器CMP2的输出端分别接数字逻辑控制电路，数字逻辑控制电路与计数器连接，三路斜坡信号发生电路产生的斜坡信号其中一路为粗斜坡信号、剩余两路为互补的细斜坡信号。
开关电容控制网络1包括粗斜坡控制开关S1和S2、细斜坡控制开关S5和S6、数字控制开关S3和S4、保持电容C1和C2。粗斜坡控制开关S1一端接入粗斜坡信号Ramp_f，粗斜坡控制开关S1的另一端连接比较器CMP2的负输入端和保持电容C2的上极板；粗斜坡控制开关S2一端接入粗斜坡信号Ramp_f，粗斜坡控制开关S2的另一端连接比较器CMP1的负输入端和保持电容C1的上极板；细斜坡控制开关S5一端接入细斜坡信号Ramp_c，细斜坡控制开关S5的另一端连接保持电容C2；细斜坡控制开关S6一端接入细斜坡信号
Figure BDA0002820760190000051
细斜坡控制开关S6的另一端连接保持电容C1；数字控制开关S3一端连接基准电压Vref，数字控制开关S3的另一端连接保持电容C2的下极板；数字控制开关S4一端连接基准电压Vref，数字控制开关S4的另一端连接保持电容C1的下极板。
本发明方法将两步式单斜模数转换电路的粗量化与细量化并行处理，两个量化过程的开始时刻相同，量化过程相互独立。电路的工作过程如下：
粗量化以及两个细量化的斜坡信号于同一时刻开始作用。打开粗斜坡控制开关S1、S2开始粗量化，在整个粗量化范围内做步进，粗斜坡信号Ramp_f以ΔV为步长在整个量化区间内寻找信号所处的区间，找到信号所处的区间后，比较器CMP1和CMP2翻转，粗量化完成，粗斜坡控制开关S1、S2关断。此时两个保持电容C1和C2的上极板存储了比较器翻转时刻斜坡的台阶电压值，由于保持电容C1和C2的下极板由数字控制开关S4和S3被固定在了一个基准电压Vref上，所以电容上存储了比较器翻转时刻的电压信息。
细斜坡控制开关S5、S6打开，两路细斜坡信号被连接在了保持电容C1、C2的下极板上。由于根据电荷守恒定律。保持电容C1、C2的上极板会从之前存储的电压信息上开始上升。相当于细量化的开始，是从粗量化寻找的区间点开始的。由于并行结构原本系量化的一部分，信号在这里是丢失掉的，但是可以在相应的互补细斜坡上完成对这个信号的补偿作用。通过设置两个比较器的权重，当两个比较器同时翻转时，系统会默认采用正常细量化斜坡对应的比较器的时间信息。如图3所示，可以看出并行结构下细量化区间内丢失的信号在互补斜坡对应的区间上被补偿回来，信号丢失的问题得以解决。
本发明提出的采用互补细斜坡的并行两步式单斜模数转换电路的量化时间为max[2M,2N]，较现有串行结构量化时间2M+2N加快了量化速度，达到了更好的性能。

Claims (5)

1.采用互补细斜坡的并行两步式单斜模数转换方法，其特征在于，设置粗斜坡信号Ramp_f，引入两路互补的细量化斜坡信号Ramp_c和
Figure FDA0002820760180000011
设置两个比较器，通过开关网络的控制，实现粗量化与细量化的并行处理。
2.根据权利要求1所述的互补细斜坡的并行两步式单斜模数转换方法，其特征在于，所述的粗量化处理和细量化处理同时开始。
3.根据权利要求1或2所述的互补细斜坡的并行两步式单斜模数转换方法，其特征在于，所述两路互补的细斜坡信号Ramp_c和
Figure FDA0002820760180000012
中，细斜坡信号由低电平上升至一个高电平，电压差值为粗斜坡信号Ramp_f的一个台阶电压；细斜坡信号由高电平下降至一个低电平，电压差值为粗斜坡信号Ramp_f的一个台阶电压。
4.采用互补细斜坡的并行两步式单斜模数转换电路，其特征在于，包括比较器CMP1和比较器CMP2、开关电容控制网络、数字逻辑控制电路和三路斜坡信号发生电路；所述比较器CMP1和CMP2的正端输入接输入信号VIN，所述比较器CMP1和CMP2的负端输入接开关电容控制网络的输出，比较器CMP1和比较器CMP2的输出端分别接数字逻辑控制电路，所述的数字逻辑控制电路与计数器连接，所述的三路斜坡信号发生电路产生的斜坡信号其中一路为粗斜坡信号、其中两路为互补的细斜坡信号。
5.根据权利要求4所述的并行两步式单斜模数转换电路，其特征在于，所述的开关电容控制网络(1)包括粗斜坡控制开关S1和S2、细斜坡控制开关S5和S6、数字控制开关S3和S4以及保持电容C1和C2，所述粗斜坡控制开关S1一端接入粗斜坡信号Ramp_f，所述粗斜坡控制开关S1的另一端连接比较器CMP2的负输入端和保持电容C2的上极板；所述粗斜坡控制开关S2一端接入粗斜坡信号Ramp_f，所述粗斜坡控制开关S2的另一端连接比较器CMP1的负输入端和保持电容C1的上极板；所述细斜坡控制开关S5一端接入细斜坡信号Ramp_c，所述细斜坡控制开关S5的另一端连接保持电容C2；所述细斜坡控制开关S6一端接入细斜坡信号
Figure FDA0002820760180000021
所述细斜坡控制开关S6的另一端连接保持电容C1；所述数字控制开关S3一端连接基准电压Vref，所述数字控制开关S3的另一端连接保持电容C2的下极板；所述数字控制开关S4一端连接基准电压Vref，所述数字控制开关S4的另一端连接保持电容C1的下极板。
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